FPGA 在電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制器中的應(yīng)用

梁文遠(yuǎn)，易 晨

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣州 511434）

0 引言

為了保護(hù)環(huán)境，為了符合汽車(chē)尾氣的排放要求，近年來(lái)國(guó)家大力扶持新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，在國(guó)家政策的刺激下，電動(dòng)汽車(chē)得到了蓬勃發(fā)展，其安全性也越來(lái)越被重視。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車(chē)的核心部件，集高電壓、大電流、高轉(zhuǎn)速于一體，如何降低故障概率和故障后如何保障人車(chē)安全是功能安全的核心課題。隨著ISO26262［1]（道路車(chē)輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)）在國(guó)內(nèi)的不斷普及和GB/T34590［2]（道路車(chē)輛功能安全）的實(shí)施，越來(lái)越多的國(guó)際主流車(chē)廠和零部件廠商強(qiáng)制要求電機(jī)控制器按照功能安全的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)開(kāi)發(fā)。

傳統(tǒng)的單核MCU系統(tǒng)已不能滿(mǎn)足功能安全的需求，MCU逐漸向雙核和多核發(fā)展，例如寶馬X1、本田雅閣混動(dòng)、特斯拉model 3等均是多核MCU系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用額外的核去做功能安全冗余校驗(yàn)計(jì)算，但軟件響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)依然存在，故障響應(yīng)時(shí)間會(huì)偏長(zhǎng)，需要用額外的ASIC（集成電路）或者分立器件來(lái)彌補(bǔ)。

相比MCU，F(xiàn)PGA 并行計(jì)算效率更高，計(jì)算速度更快，功耗和延時(shí)更低。相比被固化不能修改的ASIC，F(xiàn)PGA 可根據(jù)不同場(chǎng)景重新編程，靈活性高、開(kāi)發(fā)周期短、小批量成本低，能更快地應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求變化。已被廣泛應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)控制［3]、步進(jìn)電機(jī)控制［4]和永磁同步電機(jī)控制［5-6]中，空間矢量控制［5]、電流閉環(huán)控制［6]、速度閉環(huán)控制［7]均可用FPGA實(shí)現(xiàn)。國(guó)外眾多汽車(chē)廠家逐漸將FPGA移植到電機(jī)控制器中，作為安全冗余監(jiān)控，分擔(dān)MCU 部分算法，減少了MCU的負(fù)載率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性，表1 所示為4 家汽車(chē)企業(yè)在電（混）動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制器中應(yīng)用FPGA的情況。由表可見(jiàn)，對(duì)于FPGA 在電機(jī)控制器中的應(yīng)用，歐美車(chē)企是走在前列的，東風(fēng)啟辰D60 雖然是國(guó)產(chǎn)電動(dòng)車(chē)，但電機(jī)控制器卻是歐洲廠家供貨，國(guó)內(nèi)的電機(jī)控制器廠家，包括主機(jī)廠和零部件供應(yīng)商，均鮮見(jiàn)FPGA 的蹤影，但FPGA 的優(yōu)勢(shì)是不言而喻的，本文將詳細(xì)描述FPGA 在電機(jī)控制器中的應(yīng)用情況，包括高壓采樣、三相電流采樣、溫度采樣、發(fā)生PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT以及SPI 通信等。它與MCU 協(xié)同工作［8]，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)溫度等異常情況導(dǎo)致電機(jī)失控時(shí)，F(xiàn)PGA會(huì)先于MCU檢測(cè)到異常信號(hào)，控制電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入安全狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)SPI總線通知MCU當(dāng)前的故障狀態(tài)，MCU再把車(chē)輛狀態(tài)上報(bào)給VCU（整車(chē)控制器）。

表1 4 車(chē)企在電機(jī)控制器中應(yīng)用FPGA的情況

1 安全冗余監(jiān)控

安全冗余監(jiān)控是功能安全常用的方法之一［9]，以扭矩安全為例，需要做冗余監(jiān)控的信號(hào)包括三相電流、母線電壓、電機(jī)/IGBT溫度、IGBT失效、傳感器電壓等。這些信號(hào)通過(guò)外置ADC采樣后進(jìn)入FPGA，如圖1 所示。其中IGBT Driver屬于SVPWM策略，下面將會(huì)詳細(xì)描述，在此先介紹ADC 采樣和IGBT錯(cuò)誤信號(hào)處理部分。

圖1 安全冗余監(jiān)控信號(hào)

1.1 ADC數(shù)據(jù)處理

如圖2 所示，ADC 數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA 后，先做偏置計(jì)算，還原信號(hào)的真實(shí)值，然后與參考值做比較，判斷有沒(méi)有異常，超出范圍則控制電機(jī)進(jìn)入安全模式（主動(dòng)短路或者關(guān)閉IGBT驅(qū)動(dòng)，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速而定），沒(méi)異常則執(zhí)行正常操作。

圖2 ADC數(shù)據(jù)處理流程圖

1.2 IGBT錯(cuò)誤信號(hào)處理

IBGT驅(qū)動(dòng)電路本身帶有較為完善的錯(cuò)誤保護(hù)機(jī)制［10]，F(xiàn)PGA收到IGBT返回的錯(cuò)誤信號(hào)時(shí)，需要判斷該信號(hào)是正常觸發(fā)還是誤觸發(fā)，通常的做法是設(shè)置延時(shí)濾波時(shí)間，如圖3所示。

圖3 IGBT錯(cuò)誤信號(hào)延時(shí)濾波

IGBT輸入信號(hào)高電平時(shí)表示IGBT 異常，信號(hào)經(jīng)同步化后，在上升沿時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，高電平期間做累加計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到T3時(shí)IGBT的錯(cuò)誤信號(hào)如果還是高電平，則認(rèn)為是真實(shí)的錯(cuò)誤信號(hào)，執(zhí)行錯(cuò)誤鎖存。延時(shí)濾波可以濾除脈寬比T3小的高脈沖信號(hào)（如圖中的T1和T2），防止誤觸發(fā)。

圖4 FPGA獲取電流周期

1.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)控

FPGA作為MCU 的從器件，主要功能是實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控和快速關(guān)斷，考慮到器件成本，一般選擇中低密度邏輯門(mén)的器件，所以FPGA 需要避免復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算。因此設(shè)計(jì)時(shí)FPGA一般不采樣旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)，電機(jī)速度通過(guò)SPI總線從MCU獲得。如果SPI 總線故障時(shí)，F(xiàn)PGA 可通過(guò)電流周期計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，如圖4所示。

為了抑制電流紋波干擾，電流過(guò)零點(diǎn)采用小幅度滯回，滯回值是±Amp，假設(shè)極對(duì)數(shù)為P，測(cè)到的電流周期為T(mén)（單位是s），則轉(zhuǎn)速N（單位是r/min）可根據(jù)下式計(jì)算：

為了增強(qiáng)電流周期采樣的魯棒性，F(xiàn)PGA 需同時(shí)采樣U、V、W三相電流的周期，且滿(mǎn)足以下關(guān)系式：

只要（2）（3）（4）之一成立，F(xiàn)PGA就會(huì)返回正確的電機(jī)速度。

2 產(chǎn)生IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)

IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括正常驅(qū)動(dòng)模式和安全模式，正常驅(qū)動(dòng)模式下，MCU與FPGA通過(guò)SPI總線協(xié)作完成，安全模式下，為了保證時(shí)效性，則由FPGA單獨(dú)完成。

2.1 正常驅(qū)動(dòng)模式

系統(tǒng)的FOC運(yùn)算在MCU中實(shí)現(xiàn)，計(jì)算出占空比通過(guò)SPI總線發(fā)給FPGA，F(xiàn)PGA 根據(jù)占空比產(chǎn)生PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT，如圖5所示，MCU完成FOC運(yùn)算后，把占空比和4個(gè)組合開(kāi)關(guān)信號(hào)的作用時(shí)間（7段式SVPWM）通過(guò)SPI總線發(fā)給FPGA，F(xiàn)PGA解析出7段HS和LS互補(bǔ)的PWM方波信號(hào)，臨時(shí)存儲(chǔ)起來(lái)。

圖5 產(chǎn)生IGBT正常驅(qū)動(dòng)信號(hào)

為了產(chǎn)生帶死區(qū)時(shí)間DT 的HS 和LS，F(xiàn)PGA在每個(gè)HS 和LS的上升沿都延時(shí)DT再輸出即可插入死區(qū)時(shí)間［11]，VHDL 源碼如圖6 所示。調(diào)整整型變量DT 的值即可改變死區(qū)時(shí)間，本系統(tǒng)是在FPGA里開(kāi)辟了一個(gè)寄存器，MCU通過(guò)SPI總線配置死區(qū)時(shí)間，如果SPI總線故障則保持最近一次配置值，斷電恢復(fù)默認(rèn)值。

圖6 插入死區(qū)時(shí)間源碼

2.2 安全模式

根據(jù)電機(jī)控制器系統(tǒng)功能安全需求，發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)應(yīng)切斷動(dòng)力輸出，同時(shí)進(jìn)入安全狀態(tài)［12]。切斷動(dòng)力輸出有兩種方式，分別是FreeWheel和ASC，改變IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)可在這兩種模式之間切換，如表2所示。

表2 安全模式開(kāi)關(guān)狀態(tài)

本文的安全策略是故障瞬間如果電機(jī)的速度高于某一閾值則執(zhí)行ASC，因?yàn)镠S 端連接到高壓電池正極，所以LS ASC優(yōu)先執(zhí)行，當(dāng)LS 端IGBT 故障時(shí)才會(huì)執(zhí)行HS ASC，當(dāng)ASC執(zhí)行了預(yù)定的最小時(shí)間且電機(jī)轉(zhuǎn)速降到設(shè)定的速率后再切換到Free Wheel［13]。

3 SPI通信

FPGA通過(guò)SPI總線與MCU 進(jìn)行全雙工通信，總線速率10 Mbit/s，幀長(zhǎng)度256 bit，互為主從器件，收發(fā)時(shí)鐘線獨(dú)立，圖7所示為時(shí)序圖。

圖7 SPI時(shí)序

SPI傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括三相電流、母線電壓、PWM 驅(qū)動(dòng)、電機(jī)速度、溫度等信息，總線校驗(yàn)用CRC算法，擁有完善的防錯(cuò)機(jī)制，如果出現(xiàn)通信丟失，F(xiàn)PGA 會(huì)控制電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入安全模式。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單描述了FPGA相對(duì)MCU的優(yōu)勢(shì)，列舉了國(guó)內(nèi)外汽車(chē)廠家在電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制器中應(yīng)用FPGA 的概況，詳細(xì)介紹了FPGA在電機(jī)控制中的應(yīng)用。說(shuō)明在電機(jī)控制器功能安全設(shè)計(jì)中，應(yīng)用MCU +FPGA 的模式是十分有效的，MCU擁有豐富的外設(shè)資源和高效的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，F(xiàn)PGA 擁有大量的邏輯資源，在效率、功耗、性能、速度等方面彌補(bǔ)MCU的短處，在功能安全設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要的作用。雖然分立器件和ASIC 也能實(shí)現(xiàn)FPGA 的功能，但設(shè)計(jì)臃腫，體積大，PCB需要大量布線，靈活性低，功能變更時(shí)需要重新設(shè)計(jì)電路。FPGA則以高度的靈活性在汽車(chē)行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。